Lösligheten för ett visst ämne - måttet på hur väl ämnet löser sig i ett annat ämne som kallas lösningsmedlet - beror på grundläggande egenskaper som temperatur och tryck, samt de kemiska identiteterna för det lösta ämnet (det lösta ämnet) och lösningsmedlet.

Att förutsäga löslighet är viktigt för en mängd olika tillämpningar. På det farmaceutiska området, till exempel, det är avgörande att känna till ett läkemedels löslighet eftersom det direkt avgör dess tillgänglighet för kroppen. Petroleumindustrin ger ett annat exempel:Ämnen med låg löslighet kan bilda fjäll eller oönskade avlagringar i rör eller på borrar, orsakar blockeringar och andra stora problem.

Trots vikten av att förutsäga löslighet, det är ingen lätt sak. Ett tillvägagångssätt, använder "brute force"-simuleringar, kräver långa beräkningstider. Andra tekniker, medan snabbare, misslyckas med att förutsäga exakta löslighetsvärden. Denna vecka i Journal of Chemical Physics , forskare rapporterar en ny typ av programvara som möjliggör bekväma löslighetsuppskattningar av i stort sett alla molekylära ämnen över breda temperatur- och tryckintervall. Koden använder sig av lättillgänglig programvara med öppen källkod och förväntas bli allmänt antagen.

Daan Frenkel från University of Cambridge i Storbritannien arbetade med kollegorna Lunna Li, även i Cambridge, och Tim Totton, av British Petroleum, att utveckla koden.

"Vi gjorde ett medvetet val att använda väldokumenterade, fritt tillgänglig programvara eftersom vi ville göra vårt tillvägagångssätt tillgängligt för alla, ", sa Frenkel. "Ett allmänt verktyg för att beräkna lösligheter har saknats under lång tid. Den underliggande metodiken fanns där, men ingen hade faktiskt skapat ett fungerande program."

Mjukvaran som utvecklats av denna grupp använder standard termodynamiska uttryck som har varit kända sedan mitten av 1800-talet, såsom ångtryck. Tillvägagångssättet utnyttjar det faktum att när en fast eller flytande fas är i jämvikt, deras ångtryck är lika. När en vätska eller fast substans värms upp, molekyler flyr ut och bildar ånga. Detta ångtryck kan beräknas med hjälp av datormodeller.

Till exempel, en sockerbit som löser sig i vatten:Sockermolekyler finns antingen i fast tillstånd – den kristallina sockerbiten – eller helt omgivna av vattenmolekyler när de väl har lösts upp. Mängden socker i var och en av de två faserna, fast och lösning, bestäms av den energi som krävs för att flytta sockermolekyler mellan dessa faser. Lösligheten kan beräknas genom att beräkna ångtrycket för de två faserna och likställa dem.

För att modellera den fasta fasen, utredarna använde en modell som kallas Einstein-kristall. I denna modell, icke-interagerande lösta molekyler placeras på ett gitter och bundna till en gitterpunkt med en matematisk fjäder. Kristallens ångtryck beräknas genom att beräkna det arbete som krävs för att stänga av fjädrarna och koppla på interaktioner mellan de bundna molekylerna.

Att modellera en löst löst ämnesmolekyl, utredarna använde en standardenergipotential för lösningsmedlet i fråga, som var vatten i exemplen som användes för att testa deras programvara, och beräknade arbetet i tre steg. Först, ett hålrum i lösningsmedlet skapas. En löst ämnesmolekyl sätts sedan in i hålrummet och, till sist, kaviteten krymps till storleken på den lösta molekylen. Denna procedur eliminerar ett antal fel och ger exakta uppskattningar av ångtrycket och, Således, lösligheten.

I veckans rapport, utredarna testade sin kod på naftalen löst i vatten och förutspådde en löslighet som jämförs väl med experimentella värden. Framtida undersökningar kommer att fokusera på att utöka programvaran så att den kan hantera större lösta molekyler.